JP5921841B2 - Tool holder - Google Patents

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この発明は、ターニングセンタやマシニングセンタ等の工作機械の主軸に取り付けられる工具ホルダであって、工具最大モーメント及び慣性モーメント(イナーシャ)を極力低く抑制することで、大型加工機並びに高速加工機において、高能率加工をより高めた工具ホルダに関するものである。   The present invention is a tool holder attached to a spindle of a machine tool such as a turning center or a machining center, and suppresses a tool maximum moment and an inertia moment as low as possible. The present invention relates to a tool holder with higher efficiency machining.

この種の工具ホルダは、例えば、この発明の一実施形態を示す図1、図2aを参照して説明すると、マニピュレータ部11を有するシャンク部10と、チャックの切削工具保持用チャック部分を構成するチャック部30と、そのシャンク部10とチャック部30との間を構成するチャックの残部をなす中間部20とからなる。   This type of tool holder, for example, will be described with reference to FIGS. 1 and 2a showing an embodiment of the present invention, and constitutes a shank portion 10 having a manipulator portion 11 and a chuck portion for holding a cutting tool of the chuck. It consists of a chuck part 30 and an intermediate part 20 that forms the remainder of the chuck that forms between the shank part 10 and the chuck part 30.

一方、マシニングセンタ等の工作機械は、その各加工工程に応じて切削工具を自動交換するが、その切削工具の交換は、所要の切削工具を備えた工具ホルダの交換によって行う。その工具(工具ホルダ)の自動交換を行う装置(自動工具交換装置(ATC))は、工具ホルダの交換を円滑に行うために、工具ホルダの大きさ等に制限を設けている。例えば、表1のように、質量をはじめ各項目で最大値を定めている。ここで、図2aにおいて、工具ホルダ最大径:マニピュレータ部11の外径、工具最大長さ:シャンク部10の上端からチャック部30の下端までの長さ、工具最大モーメント:マニピュレータ部11の上面(主軸基準面)から重心Gまでの距離Mに質量を乗じたものである。   On the other hand, a machine tool such as a machining center automatically replaces a cutting tool in accordance with each processing step, and the cutting tool is replaced by exchanging a tool holder having a required cutting tool. An apparatus (automatic tool changer (ATC)) that automatically changes the tool (tool holder) places a limit on the size of the tool holder in order to smoothly change the tool holder. For example, as shown in Table 1, the maximum value is determined for each item including mass. Here, in FIG. 2a, tool holder maximum diameter: outer diameter of manipulator part 11, tool maximum length: length from the upper end of shank part 10 to the lower end of chuck part 30, tool maximum moment: upper surface of manipulator part 11 The distance M from the spindle reference plane) to the center of gravity G is multiplied by the mass.

Figure 0005921841
Figure 0005921841

このようなATCに使用される工具ホルダは、最大工具長さ及び最大質量は、制限内に収めることは当然として、工具最大モーメントも重要な要素である。工具最大モーメントが制限を超えてしまうと、工具交換時の遠心力で、工具ホルダが放り出される恐れがあるからである。また、生産性(加工性)を上げるには、工具交換など非加工時間を短くすることも重要であり、最大質量や工具最大モーメントが大きいほど、ATC交換時間は遅くなる。例えば、質量:12kgの時はその交換時間:1.9秒に対し、同35kgの時は、工具ホルダの放り出しを防ぐべく、同4.8秒と加工モードを低速にしなければならない。   In the tool holder used for such ATC, the maximum tool length and the maximum mass are naturally within the limits, and the maximum tool moment is also an important factor. This is because if the tool maximum moment exceeds the limit, the tool holder may be thrown out by centrifugal force during tool replacement. In order to improve productivity (workability), it is also important to shorten the non-machining time such as tool change. The larger the maximum mass and the tool maximum moment, the slower the ATC change time. For example, when the mass is 12 kg, the change time is 1.9 seconds, whereas when the mass is 35 kg, the machining mode must be slowed to 4.8 seconds to prevent the tool holder from being thrown out.

さらに、主軸は、設定回転数に数秒(例えば、8000回転では4秒〜5秒、4000回転では1.5秒程度)で到達し、停止する場合も同様であることから、高速で回転する主軸に装着される工具ホルダには大きな慣性モーメントが働く。この慣性モーメントが大きくなるほどエネルギーの消費も大きくなって環境負荷が高いこととなる。   Furthermore, since the main shaft reaches the set rotational speed in several seconds (for example, about 4 to 5 seconds for 8000 rotations and about 1.5 seconds for 4000 rotations) and is the same when stopped, the main shaft rotates at high speed. A large moment of inertia acts on the tool holder attached to the. As this moment of inertia increases, energy consumption increases and the environmental load increases.

また、ワーク(工作物)を高能率に加工する場合、直線加工部ではできるだけ送り速度を上げて切削除去量を増やすと共に、コーナや曲線部では、速やかに加減速を働かせて円滑な加工をすることが求められる。送り速度は、回転数と一刃当たりの送り量、刃数を乗じたものであり、一般には一刃の送り量を調節して円滑で高能率な送り速度を設定する。例えば、コーナ部では、工具の切削面積が急激に増大するため、一刃の送り量を少なくすることで、工具の負荷を減少させ、ビビリによる面不良や刃の折損を防ぐ方法が取られている。   Also, when machining workpieces (workpieces) with high efficiency, the feed rate is increased as much as possible in the linear machining part to increase the amount of cutting removal, and at the corners and curve parts, acceleration / deceleration is quickly applied to perform smooth machining. Is required. The feed rate is obtained by multiplying the rotational speed, the feed amount per blade, and the number of blades. Generally, the feed rate of one blade is adjusted to set a smooth and highly efficient feed rate. For example, at the corner, the cutting area of the tool increases sharply, so by reducing the feed amount of one blade, the load on the tool is reduced, and there is a method to prevent surface defects and blade breakage due to chatter. Yes.

このように、高能率な切削加工においては、急激な加減速が行われており、工具ホルダには常に大きな慣性力が働いている。また、慣性モーメントと同様、質量が重くなるほど、工具長が長くなるほど、主軸は大きな慣性力を受けることになる。
このため、加減速が大きく働くコーナ部では、慣性力が大きく働く工具ホルダほど(例えば、質量が大きい、主軸基準面から工具ホルダの重心までが遠い等)、工具ホルダは撓みやすく、工具ホルダがたわむと、切削工具がワークに食い込んだりする。この食い込みによって、削りすぎ等によりワークが不良となったり、切削工具が折損したりする。これらのことから、切削加工時において、慣性力が小さいほど工具ホルダは安定し、そのことは高能率加工に反映される。
Thus, in high-efficiency cutting, rapid acceleration / deceleration is performed, and a large inertial force is always acting on the tool holder. Similarly to the moment of inertia, the greater the mass and the longer the tool length, the greater the spindle is subjected to inertial force.
For this reason, in a corner portion where acceleration / deceleration greatly works, a tool holder with a large inertial force (for example, a large mass, a distance from the spindle reference plane to the center of gravity of the tool holder, etc.), the tool holder is easily bent, and the tool holder When it bends, the cutting tool bites into the workpiece. This biting causes the workpiece to become defective due to excessive cutting or the like, or the cutting tool is broken. From these facts, at the time of cutting, the tool holder becomes more stable as the inertial force is smaller, which is reflected in high-efficiency machining.

ところで、近年の技術の高度化により、航空宇宙関連や原動機関連等においては、アルミ合金部品やチタン合金等の難削材加工部品が多くなっている。例えば、航空機のフレーム、ウィングリブ、バルクヘッド等のアルミ構造部品や同フレームコンポーネント、エッジフレーム等のチタン構造部品、さらには、原動機のブレードやインペラー等である。
これらの難削材を高能率に加工する工作機械は、アルミ加工の場合、回転速度が30000rpmに及んだり、送り速度が30000mm/min(X、Y軸)以上に及んだり、主軸電動機出力が80kW(100馬力)以上に及んだりし、チタン加工の場合、主軸トルクが1500Nmに及ぶものもあり、それらを担うものが製品化されている。
By the way, due to the advancement of technology in recent years, there are an increasing number of difficult-to-cut material processed parts such as aluminum alloy parts and titanium alloys in the aerospace and motor related fields. For example, aluminum structural parts such as aircraft frames, wing ribs and bulkheads, titanium frame parts such as frame components, edge frames, and motor blades and impellers.
Machine tools that process these difficult-to-cut materials with high efficiency, in the case of aluminum processing, the rotational speed reaches 30000 rpm, the feed speed reaches 30000 mm / min (X, Y axes) or more, the spindle motor output Is 80 kW (100 hp) or more, and in the case of titanium processing, there are some that have a main shaft torque of 1500 Nm, and those that bear these are commercialized.

また、加工方法においては、従来の3軸(上下、左右、前後の軸移動)を持つマシニングセンタでは加工効率が悪く、3軸に回転軸(A軸、B軸)を付加した5軸制御マシニングセンタを活用するケースが増えている。
この多軸マシニングセンタで上記難削材を加工する際、特に、5軸制御マシニングセンタによる難削材の高能率加工においては、主軸は高トルクとなり、従来の大型機に採用されている規格の主軸テーパに比べひと回り大きな規格(例えば、ISO規格、HSK−A125等)が採用されている。このため、その主軸に搭載される工具ホルダもその規格に則って、従来に比べてひと回り大きいものとなる。
In the machining method, a conventional machining center having three axes (up / down, left / right, and front / rear axis movement) has poor machining efficiency, and a five-axis control machining center in which a rotation axis (A axis, B axis) is added to the three axes. Increasing use cases.
When machining the above-mentioned difficult-to-cut materials with this multi-axis machining center, especially in high-efficiency machining of difficult-to-cut materials with a 5-axis controlled machining center, the spindle has high torque, and the standard spindle taper used in conventional large machines A standard (for example, ISO standard, HSK-A125, etc.) that is slightly larger than the standard is adopted. For this reason, the tool holder mounted on the spindle is also slightly larger than the conventional one in accordance with the standard.

その規格に則った工具ホルダのHSKシャンクは、1993年にDIN規格に採用された新しいツールであり、ドイツ語のHohl Schaft Kegel(中空シャンクテーパ)の頭文字を取ったもので、従来の7/24テーパシャンクに比べて、下記の数々の特徴(1)〜(5)を有している。
(1) 二面拘束によるラジアル、アキシアル方向のクランプ力により極めて高い剛性が得られる、高い静・動的剛性を有する。
(2) テーパ面と端面全体に強い摩擦密着が生じるように固定されるため、高いトルク伝達と正確な位置決め(ATC繰り返し精度)が実現できる。
(3) 回転数の上昇によって、くさび形締付機構の締付力がより強くなり、ラジアル方向の隙間が生じない高速機械加工性能を有する。
(4) シャンク長さが従来の7/24テーパシャンクの約1/3、また重量も約1/2と軽いため、工具交換時間が短くなる。
(5) クーラント供給など実用の高速・高精度加工に要求される性能を十分備えている。
The tool holder HSK shank that conforms to the standard is a new tool adopted in the DIN standard in 1993, and is an acronym for Hohl Schaft Kegel (hollow shank taper) in German. Compared with the 24 taper shank, it has the following features (1) to (5).
(1) It has high static and dynamic rigidity that can obtain extremely high rigidity by radial and axial clamping force due to two-sided restraint.
(2) Since the taper surface and the entire end surface are fixed so that strong frictional adhesion occurs, high torque transmission and accurate positioning (ATC repeatability) can be realized.
(3) By increasing the rotational speed, the tightening force of the wedge-shaped tightening mechanism becomes stronger, and it has high-speed machining performance that does not produce radial clearance.
(4) Since the shank length is about 1/3 of the conventional 7/24 taper shank and the weight is about 1/2, the tool change time is shortened.
(5) Sufficient performance required for practical high-speed and high-precision machining such as coolant supply.

このような特徴を有するHSKシャンクを有する大きな工具ホルダを採用することで、工具ホルダ自体の剛性は格段と向上するが、反面、その質量は大幅に重くなる。例えば、15kgを超える場合もあり、人が持ち上げたりして各種の作業をするには危険である。
工具ホルダの質量の目安としては、大型機に最も多く採用されているテーパ規格に則ったBT50(JIS規格)の工具ホルダが考えられて、最大10kg程度である。また、多く利用されるエンドミル系の工具を把持する工具ホルダの質量は10kg以下が多い。
このような実状から、HSKシャンクを有する工具ホルダにおいてもできるだけ軽いことが望ましい。
By adopting a large tool holder having an HSK shank having such characteristics, the rigidity of the tool holder itself is remarkably improved, but on the other hand, its mass is significantly increased. For example, it may exceed 15 kg, and it is dangerous for a person to lift up and perform various operations.
As a measure of the mass of the tool holder, a tool holder of BT50 (JIS standard) conforming to the taper standard that is most often used in large machines can be considered, and the maximum is about 10 kg. Further, the mass of a tool holder that holds a frequently used end mill type tool is 10 kg or less.
From such a situation, it is desirable that the tool holder having the HSK shank is as light as possible.

また、この種の工具ホルダにおいて、近年、主軸の高トルク化により、切削工具Aを精度良く強固に把握し、かつ剛性を有する上に、回転バランス等の性能の高度化が望まれ、かつ重切削による高能率化の要求をみたすものとして、上記チャック部30に切削工具を焼嵌め式でもって装着するものが注目されている(特許文献2、3参照)。   Further, in this type of tool holder, in recent years, it has been desired that the cutting tool A be grasped with high precision and rigidity by increasing the torque of the spindle, and that the performance of rotation balance and the like should be enhanced and heavy. As a means for satisfying the demand for higher efficiency by cutting, a technique in which a cutting tool is mounted on the chuck portion 30 by a shrink-fit method has been attracting attention (see Patent Documents 2 and 3).

さらに、工具ホルダの生産面において、通常、工具ホルダの本体製作は、工具ホルダの最大外径に削り代を考慮した鋼製のバー材(直棒材)から、シャンク部材等の外周面形状に削り出しする。このため、従来の工具ホルダの材料利用比率(工具ホルダの大きさ/バー材の大きさ)は1/3程度で、残りの2/3は切屑となり無駄となっている。この無駄は環境負荷が大きいことである。さらに、大型部品を高能率に加工するには、多数種類の切削工具に対応した工具ホルダが必要であり、それらの切削工具に対応したシステムを形成するには、通常、300種類程度の工具ホルダを準備する必要がある。
このような材料の無駄を省き、生産における環境負荷を最小限に抑えながら、十分なアイテムの工具ホルダを提供できることが望ましい。
因みに、切削加工の観点からは、高トルク主軸の能力に堪え得る機械強度、曲げ剛性を持ち、加工能率に貢献し得る工具ホルダでなければならないことは言うまでもない。
Furthermore, on the production side of the tool holder, the tool holder body is usually manufactured from a steel bar material (straight bar material) considering the machining allowance to the maximum outer diameter of the tool holder, to the outer peripheral surface shape such as a shank member. Sharpen out. For this reason, the material utilization ratio (size of the tool holder / size of the bar material) of the conventional tool holder is about 1/3, and the remaining 2/3 becomes waste as waste. This waste is a large environmental load. Furthermore, in order to process large parts with high efficiency, a tool holder corresponding to many types of cutting tools is required, and in order to form a system corresponding to these cutting tools, usually about 300 types of tool holders are required. Need to prepare.
It would be desirable to be able to provide a tool holder with sufficient items while avoiding such material waste and minimizing the environmental burden in production.
Incidentally, it goes without saying that, from the viewpoint of cutting, it must be a tool holder that has mechanical strength and bending rigidity that can withstand the ability of a high torque spindle and can contribute to machining efficiency.

このような実状の下、工具ホルダの軽量化を図ったものとして、チャック(工具保持部)とシャンクとを別部材とし、その両方の部材に、耐曲げ強度が得られる程度の薄肉を残して大きな中空部を形成したものがある(特許文献1要約、図1参照)。
また、工具ホルダのシャンクとチャックを別部材とし、そのシャンク部材とチャック部材を相互に接合可能とすると共に、各種の形状として、多様化する工具ホルダの生産性を高めるとともに、納入時期の短縮化を図った技術が開示されている(特許文献2段落0013、図1参照)。
さらに、チャックの外周面を先端に向かって徐々に縮径する凹弧状面とするとともに、そのチャックを軸方向複数に分割した技術も開示されている(特許文献3段落0015、図5参照)。
Under such circumstances, the weight of the tool holder is reduced, and the chuck (tool holding part) and the shank are separated from each other, and a thin wall with sufficient bending strength is left on both members. There exists what formed the big hollow part (refer patent document 1 summary, FIG. 1).
In addition, the shank and chuck of the tool holder are separated, and the shank and chuck members can be joined to each other, and various shapes can be used to increase the productivity of diversifying tool holders and shorten the delivery time. (See Patent Document 2, paragraph 0013, FIG. 1).
Further, a technique is disclosed in which the outer peripheral surface of the chuck is a concave arc-shaped surface that gradually decreases in diameter toward the tip, and the chuck is divided into a plurality of axial directions (see paragraph 0015 of FIG. 5 and FIG. 5).

特開2001−252841号公報JP 2001-252841 A 特開2002−120115号公報JP 2002-120115 A 特開2009−45716号公報JP 2009-45716 A 特開平10−504号公報JP-A-10-504

特許文献1図1等には、シャンク部及びチャック部を中空構造として軽量化を図った旨が記載されているが、その両者の接合は、摩擦圧接を採用している。また、そのシャンク部の薄肉厚に関し、最大径部の直径の10%程度と明記されているだけである。さらに、チャック部に関しては、耐曲げ強度が得られる程度の薄肉と記載されるだけで、中空薄肉厚とソリッド(中実)では曲げ剛性がどの程度関係しているのか全く提示されていない。このため、この文献1の記載では、切削能力が十分に得られるものとし得ず、また、軽量化し得るだけで上記難削材の重切削には適用するものと容易にし得ない。特に、上記HSKシャンク等の高トルク主軸に装着されるシャンクを採用した際、チャックも大きくなり、中空構造によって軽量化した場合の最適形状を容易に得ることができない。   Patent Document 1 FIG. 1 and the like describe that the shank portion and the chuck portion have a hollow structure to reduce the weight, but friction welding is employed for joining the two. In addition, regarding the thin wall thickness of the shank portion, it is only specified as about 10% of the diameter of the maximum diameter portion. Further, the chuck portion is only described as being thin enough to obtain bending strength, and does not provide any indication of how much bending rigidity is related to hollow thin thickness and solid (solid). For this reason, in the description of this document 1, it is not possible to obtain a sufficient cutting ability, and it is not possible to make it easy to apply to heavy cutting of the above difficult-to-cut material only by reducing the weight. In particular, when a shank attached to a high torque main shaft such as the above-mentioned HSK shank is adopted, the chuck also becomes large, and the optimum shape when the weight is reduced by the hollow structure cannot be easily obtained.

また、特許文献3には、チャックを軸方向複数に分割する旨の記載はあるものの、その分割位置を何処にするかの記載はない。
さらに、軽量化を図った特許文献1等の工具ホルダは、工具最大モーメントを考慮したものはない。
Patent Document 3 describes that the chuck is divided into a plurality of axial directions, but does not describe where the division position is.
Furthermore, there is no tool holder in Patent Document 1 or the like that has been reduced in weight considering the maximum tool moment.

この発明は、以上の点に鑑み、機械強度及び曲げ剛性の低下を抑えつつ、工具最大モーメント、慣性モーメント及び慣性力を極力低く抑制するために、質量を低減することを第1の課題とし、次に重心の位置を低く抑えることを第2の課題とし、軽量化を容易にする仕組み(構成)を第3の課題とする。 In view of the above points, the present invention has a first object to reduce the mass in order to suppress the tool maximum moment, the moment of inertia and the inertial force as low as possible while suppressing the decrease in mechanical strength and bending rigidity. Next, keeping the position of the center of gravity low is a second problem, and a mechanism (configuration) that facilitates weight reduction is a third problem.

上記第1の課題を達成するために、この発明は、図1(a)で示す上記工具ホルダにおいて、シャンク部10とチャック部30との間を構成するチャックの残部をなす中間部20を中空とするとともに、その中間部20の外周面20’及びチャック部30の外周面30’を、チャックの先端に向かって徐々に縮径するテーパ状とするとともに、中間部20の内周面24もその外周面20’に沿う形状としたのである。   In order to achieve the first object, the present invention provides a tool holder shown in FIG. 1 (a) in which the intermediate portion 20 that forms the remainder of the chuck that is formed between the shank portion 10 and the chuck portion 30 is hollow. In addition, the outer peripheral surface 20 ′ of the intermediate portion 20 and the outer peripheral surface 30 ′ of the chuck portion 30 are tapered so that the diameter gradually decreases toward the tip of the chuck, and the inner peripheral surface 24 of the intermediate portion 20 is also formed. The shape is along the outer peripheral surface 20 '.

シャンク部10は、例えば、300Nm以上の高トルクの主軸に装着されるシャンクや高速回転主軸であれば、自ずとその大きさは決定され、チャック部30は、切削工具を取付ける(チャッキングする)部位のため、太さや長さは自ずと決定される。一方、シャンク部10とチャック部30の間、すなわち、両者のチャックの残部をなす中間部20は、同じ大きさのシャンク部10やチャック部30であっても、軸方向長さを任意に取ることができる。このため、中間部を任意の長さとすれば、任意の長さ(任意の切削深さ)の工具ホルダを得ることができる。   For example, if the shank portion 10 is a shank or a high-speed rotation main shaft mounted on a high torque main shaft of 300 Nm or more, the size of the shank portion 10 is automatically determined, and the chuck portion 30 is a part to which a cutting tool is attached (chucked). Therefore, the thickness and length are automatically determined. On the other hand, the intermediate part 20 between the shank part 10 and the chuck part 30, that is, the remaining part of the chucks of the both parts, can take an arbitrary axial length even if the shank part 10 and the chuck part 30 have the same size. be able to. For this reason, if an intermediate part is made into arbitrary length, the tool holder of arbitrary length (arbitrary cutting depth) can be obtained.

その際、その中間部20を中空とすれば、工具ホルダの質量が極力抑制される。また、チャックの外周面が先端に向かって徐々に縮径する形状であると、同一重量の円柱状チャックの場合に比べ、特許文献3図1aに示されるように、ワークに干渉せずに剛性が高いものとすることができる。このとき、同文献3に記載のように、チャックの外周面は、シャンクから先端に向かって徐々に縮径するとともに、そのチャック先端からシャンクに向かってその先端から所要長さ全長に亘って凹孤状面とすれば、ワークとの干渉を避けつつより剛性の高いものとし得る。
なお、チャック部及び中間部の外周面は、先端に向かって徐々に縮径する形状であれば良く、全長に亘って連続する綺麗な円弧又は直線テーパ状は勿論のこと、その円弧、直線が混ざった段階的な縮径形状でも良い。
At that time, if the intermediate portion 20 is hollow, the mass of the tool holder is suppressed as much as possible. Further, if the outer peripheral surface of the chuck has a shape that gradually decreases in diameter toward the tip, as shown in FIG. Can be high. At this time, as described in the literature 3, the outer peripheral surface of the chuck is gradually reduced in diameter from the shank to the tip, and is recessed from the tip to the shank over the entire length of the required length. If it is an isolated surface, it can be made more rigid while avoiding interference with the workpiece.
The outer peripheral surfaces of the chuck part and the intermediate part only need to have a shape that gradually decreases in diameter toward the tip, not to mention a beautiful arc or straight taper shape that continues over the entire length, and the arc and straight line A mixed stepwise reduced diameter shape may be used.

また、中間部の中空部内周面をその外周面に沿う形状とすれば、回転バランスの良いものとなる。このとき、中間部の内周面の傾斜度合はその外周面と同じ傾斜度合、例えば、同じ曲率(平行)としたり、段階的に沿う形状(近似形状)としたりすることができる。
さらに、中間部内周面がその外周面と同様にチャック先端に向かって徐々に縮径することは、クーラントがその流れの絞り効果によって先端(切削工具)にスムーズに流れる効果がある。
Further, if the inner peripheral surface of the hollow portion of the intermediate portion is shaped along the outer peripheral surface, the rotation balance is good. At this time, the inclination degree of the inner peripheral surface of the intermediate portion can be the same inclination degree as that of the outer peripheral surface, for example, the same curvature (parallel), or a shape along the steps (approximate shape).
Further, the inner peripheral surface of the intermediate portion gradually decreases in diameter toward the tip of the chuck in the same manner as the outer peripheral surface thereof, which has an effect that the coolant smoothly flows to the tip (cutting tool) due to the throttle effect of the flow.

この発明の構成としては、シャンクに外周面が先端に向かって徐々に縮径するチャックを同一軸に設けた、工作機械の主軸に前記シャンクでもって装着される工具ホルダであって、マニピュレータ部を有する前記シャンクを構成するシャンク部と、前記チャックの切削工具保持用チャック部分を構成するチャック部と、そのシャンク部とチャック部との間を構成する前記チャックの残部をなす中空の中間部とからなり、工具最大モーメント、慣性モーメント及び慣性力を低減するために、前記中間部の外周面及びチャック部の外周面は、前記チャックの先端に向かって徐々に縮径するテーパ状とするとともに、前記中間部の中空内周面はその外周面に沿う形状とされている構成を採用することができる。   As a configuration of the present invention, a tool holder mounted on the main shaft of a machine tool with the shank is provided with a chuck whose outer peripheral surface is gradually reduced in diameter toward the tip on the shank. A shank portion constituting the shank, a chuck portion constituting a chuck portion for holding a cutting tool of the chuck, and a hollow intermediate portion constituting the remaining portion of the chuck constituting between the shank portion and the chuck portion. In order to reduce the maximum tool moment, inertia moment and inertia force, the outer peripheral surface of the intermediate portion and the outer peripheral surface of the chuck portion are tapered so that the diameter gradually decreases toward the tip of the chuck. A configuration in which the hollow inner peripheral surface of the intermediate portion has a shape along the outer peripheral surface can be employed.

この構成の工具ホルダは、外径が大きくなって断面二次モーメントも大きくなるため、小径のホルダに比べれば、チャック全体を中実とせずに中空としても剛性は担保できる。すなわち、剛性の大きな低下を招くことなく、軽量化できる。このとき、中間部の肉厚はその長さ方向全長に亘って同一としても良いが、シャンク部側からチャック部側に向かって、徐々に薄肉となる(中間部の外周面と内周面との肉厚がチャック部側からシャンク部側に向かって徐々に厚くなる)ような形状が好ましい。大径になればなるほど回転トルクは大きくなるため、剛性が必要となり、シャンク部側が肉厚であれば、その断面二次モーメントも大きくなって高い剛性を有するものとなるからである。 Since the tool holder having this configuration has a large outer diameter and a large second moment of section, the rigidity can be ensured even if the chuck is hollow without making the entire chuck solid compared to a holder with a small diameter. That is, the weight can be reduced without causing a large decrease in rigidity. At this time, the thickness of the intermediate portion may be the same over the entire length in the length direction, but gradually becomes thinner from the shank portion side toward the chuck portion side (the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the intermediate portion). The thickness is preferably gradually increased from the chuck part side toward the shank part side) . This is because the larger the diameter, the greater the rotational torque, so that rigidity is required. If the shank part is thick, the moment of inertia of the cross section is increased and the rigidity is increased.

この構成の工具ホルダにおいて、例えば、図1(a)、(b)に示す、シャンクに外周面が先端に向かって徐々に縮径する円錐台状チャックを同一軸に設け、ホルダ長L:400mm、マニピュレータ部の径D:125mm、チャック部材先端外径d:26mmの同一外形の工具ホルダにおいて、中間部20を中空とした中空工具ホルダA(同図(a))と中間部20を中実とした中実工具ホルダB(同図(b))とでは、質量(kg)、重心位置M(mm)、工具最大モーメント(=質量×M(kg・m))、慣性モーメント(kg・m、XY方向)は下記表2の通りとなる。このとき、Mは主軸基準面から重心Gまでの距離であり、Mが短いほど、質量が軽いほど、工具最大モーメント及び慣性モーメントは小さくなる。因みに、円柱、円錐、曲円錐の順で、重心は底面(シャンク)側に移行する(低くなる)。 In the tool holder having this configuration, for example, a frustoconical chuck whose outer peripheral surface is gradually reduced in diameter toward the tip is provided on the same shaft as shown in FIGS. 1A and 1B, and the holder length L is 400 mm. In a tool holder having the same outer shape with a manipulator part diameter D of 125 mm and a chuck member tip outer diameter d of 26 mm, the hollow tool holder A (FIG. 5A) in which the intermediate part 20 is hollow and the intermediate part 20 are solid. In the case of the solid tool holder B ((b) in the figure), the mass (kg), the gravity center position M (mm), the tool maximum moment (= mass × M (kg · m)), the inertia moment (kg · m) 2 and XY directions) are as shown in Table 2 below. At this time, M is the distance from the spindle reference plane to the center of gravity G. The shorter the M and the lighter the mass, the smaller the tool maximum moment and the moment of inertia. Incidentally, the center of gravity shifts (becomes lower) toward the bottom surface (shank) in the order of cylinder, cone, and curved cone.

Figure 0005921841
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この表2から、中空工具ホルダAは、中実工具ホルダBに対し、質量:30%近く低い値となっており、このことは30%ほどエネルギー消費量(材料)が少ないということであって、環境負荷の低減につながる。また、その質量に加え、重心までの距離Mも6%程低い値となっており、この質量が小さく、主軸基準面からの重心の位置が近く(短く)なることは、慣性力の低下につながるため、加工時、工具ホルダは撓み難く、切削工具がワークに食い込んだりする恐れも少なくなり、工具ホルダは安定し、高能率加工が可能となる。
さらに、中空工具ホルダAは、同工具最大モーメントが35%近く低い値となっており、ATCに使用しても、工具交換時の遠心力が小さく、その交換時間の短縮を図ることができる。また、工具最大モーメントが低いことから、同様に、慣性モーメントも30%程低い値となっている。
なお、チャックの外周面がシャンクから先端に向かって徐々に縮径すれば、重心Gが主軸基準面に近づくとともに、図1(a)と同(b)の対比から、中間部20を中空とすることによって、重心Gの位置が主軸基準面に近づくため、上記第2の課題を達成し得る。
From Table 2, the hollow tool holder A has a mass value that is nearly 30% lower than that of the solid tool holder B, which means that the energy consumption (material) is as low as 30%. , Leading to a reduction in environmental impact. In addition to the mass, the distance M to the center of gravity is also about 6% lower, and the fact that this mass is small and the position of the center of gravity from the spindle reference plane is close (short) reduces the inertial force. Since they are connected, the tool holder is difficult to bend during processing, and the possibility that the cutting tool bites into the workpiece is reduced, the tool holder is stable, and high-efficiency processing is possible.
Further, the hollow tool holder A has a tool maximum moment that is nearly 35% lower, and even when used in an ATC, the centrifugal force during tool replacement is small, and the replacement time can be shortened. Further, since the tool maximum moment is low, the moment of inertia is similarly about 30% lower.
If the outer peripheral surface of the chuck is gradually reduced in diameter from the shank toward the tip, the center of gravity G approaches the main shaft reference surface, and the intermediate portion 20 is made hollow from the comparison of FIG. 1A and FIG. By doing so, the position of the center of gravity G approaches the main axis reference plane, so that the second problem can be achieved.

上記第3の課題を達成するために、この発明は、上記シャンク部、中間部及びチャック部を、それぞれ別部材であるシャンク部材、中間部材及びチャック部材から構成し、そのシャンク部材中間部材及び中間部材とチャック部材はそれぞれ溶接部を介して接合されている構成を採用したのである。
このように、シャンク部材、チャック部材及び中間部材の3部材(3ピース)とすることで、下記中空部の形成が容易となる。特に、HSKシャンク等の高トルク主軸に装着されるシャンクの場合は工具ホルダが大型化するため、その中空化が容易であることは有効である。また、3部材とすることにより、各部材のそれぞれの最大外径に削り代を考慮した鋼製のバー材(直棒材)を個々に使用することにより、外周削り出し量を、3部材を同一径の一バー材から製作する場合に比べて削減できる。すなわち、切屑が少なくなって環境負荷を低減することができる。なお、中間部材はその長さ方向において、さらに、2分割、3分割等とし得る。このように、上記特許文献3記載のチャックの分割とは異なり、中間部材の分割位置を特定し、この中間部材を工具ホルダの延長部(長さ調整部)となるようにしたのである。
To achieve the above third object, the present invention is the shank portion, the intermediate portion and the chuck portion, the shank member is a separate member, respectively, consist of the intermediate member and the chuck member, the intermediate member and its shank member A configuration in which the intermediate member and the chuck member are joined via a welded portion is employed.
Thus, the following hollow part can be easily formed by using three members (three pieces) of the shank member, the chuck member, and the intermediate member. In particular, in the case of a shank attached to a high torque main shaft such as an HSK shank, the tool holder becomes large, and it is effective that its hollowing is easy. In addition, by using three members, steel bar material (straight bar material) considering the machining allowance for each maximum outer diameter of each member is used individually, so that the outer peripheral cutting amount can be reduced to three members. This can be reduced compared to the case of manufacturing from one bar material of the same diameter. That is, the amount of chips is reduced and the environmental load can be reduced. The intermediate member can be further divided into two parts, three parts, etc. in the length direction. Thus, unlike the chuck division described in Patent Document 3, the intermediate member division position is specified, and this intermediate member is made to be an extension portion (length adjusting portion) of the tool holder.

また、中間部は従来のチャックの一部を構成するため、そのチャックを中空にする場合(筒状にする場合)に比べて、そのチャックを2分割として、その分割部材をそれぞれ中空に加工することにすれば、その加工作業も容易となり、精度も確保し易くなる。   Further, since the intermediate portion constitutes a part of the conventional chuck, the chuck is divided into two parts and the divided members are each processed to be hollow as compared with the case where the chuck is hollow (in the case of a cylindrical shape). If so, the processing work becomes easy and it becomes easy to ensure accuracy.

溶接は、シャンク部材、中間部材及びチャック部材を剛性を持って同一軸上に相互に強固に接合し易いからであり、各部材は、それぞれ機械加工及び熱処理された後、電子ビーム溶接等で接合する。
その電子ビーム溶接は、強固な接合と量産性が可能という利点がある上に、シャンク部材と中間部材、中間部材とチャック部材の各接合精度が高く、シャンク部材軸心に対して中間部材及びチャック部材の偏心及び傾きの極めて少ない同一軸上の接合が可能である。また、電子ビーム溶接は極めて局所溶接のため、TIG溶接のように、予熱や後熱工程を必要とせず、シャンク部材、中間部材及びチャック部材の機械加工(切削加工等)→各部材の溶接→各部材の機械加工(仕上げ加工等)と各工程をスムーズに進め得る利点もある。
この接合によって、中間部材の外周面及びチャック部材の外周面は、チャック先端に向かって徐々に縮径するテーパ状となる。
なお、電子ビーム溶接の技術力により、シャンク部材、中間部材及びチャック部材のフレキシブルな組合せが自在に行い得るため、それらの部材の一体化が容易である。
The welding is because the shank member, the intermediate member, and the chuck member are easy to firmly join each other on the same axis with rigidity. Each member is joined by electron beam welding after being machined and heat-treated. To do.
The electron beam welding has an advantage that strong joining and mass productivity are possible, and has high accuracy in joining each of the shank member and the intermediate member, the intermediate member and the chuck member, and the intermediate member and the chuck with respect to the shank member axis. Joints on the same axis with very little eccentricity and inclination of the members are possible. In addition, since electron beam welding is extremely local welding, unlike TIG welding, preheating and post-heating processes are not required, and machining (cutting, etc.) of the shank member, intermediate member and chuck member → welding of each member → There is also an advantage that the machining (finishing process, etc.) of each member and each process can proceed smoothly.
By this joining, the outer peripheral surface of the intermediate member and the outer peripheral surface of the chuck member are tapered so that the diameter gradually decreases toward the chuck tip.
In addition, since the flexible combination of a shank member, an intermediate member, and a chuck member can be performed freely by the technical force of electron beam welding, these members can be easily integrated.

この構成において、シャンクは上記HSKシャンクが軽量化には有効であり、さらに、切削工具の取付けは焼き嵌め式とすれば、特許文献3段落0003、同0004に記載のように、切削工具を精度良く強固に把握し、かつ剛性を有する上に、回転バランス等の性能の高度化に対応すると共に、そのチャックの径を細くすることができることから、切削工具のチャックの先端からの突出量(長さ)を極力短くすることができ、切削工具の切削時に受ける切削負荷に耐え得る強さである剛性を高めることができる利点を有する。
また、分割する場合は、シャンク部材と中間部材との接合端面及び中間部材とチャック部材との接合端面はそれぞれ同一大きさとすることが好ましい。
各接合端面が同一大きさであれば、その接合部における質量等の偏位も極力少なく、回転バランスが良いものとなるとともに、最少接合面積で最大の接合強度を得ることができる。また、チャック部材と中間部材のそれぞれの外周面がその接合部(線)で連続したものとなる。
In this configuration, the above-mentioned HSK shank is effective for reducing the weight of the shank. Further, if the cutting tool is mounted by shrink fitting, the cutting tool can be accurately adjusted as described in paragraphs 0003 and 0004 of Patent Document 3. As well as being firmly grasped and rigid, it can cope with advanced performance such as rotation balance and the diameter of the chuck can be reduced. ) Can be shortened as much as possible, and the rigidity, which is the strength that can withstand the cutting load applied during cutting of the cutting tool, can be increased.
Moreover, when dividing | segmenting, it is preferable that the joining end surface of a shank member and an intermediate member and the joining end surface of an intermediate member and a chuck member are respectively made the same magnitude | size.
If each joining end face has the same size, the deviation in mass and the like at the joining portion is minimized, the rotation balance is good, and the maximum joining strength can be obtained with the minimum joining area. Further, the outer peripheral surfaces of the chuck member and the intermediate member are continuous at the joint (line).

さらに、シャンク部材等の各材料に例えば浸炭材(SCM415等)を使って、その内外周面(表面のみ)に浸炭等によって硬化処理を施して硬化処理層を有するものとすれば、例えばHRC55°程度とすれば、各部材内部(内外表面以外)は生材に近く靭性を持ったものとなって、ソリッド(中実)と遜色ない機械強度を得ることができる。特に、中間部材は、チャック部材等に比べて軽量化によって大きな中空部を有することとなるため、靭性を持ったものとすることが好ましい。
シャンク部材、中間部材及びチャック部材は、同一材料でも良いが、それぞれの部材を異なる材料としたり、シャンク部材と中間部材の接合部を内周面、外周面とも曲線で形成したりすることにより、防振効果を高めることができる。
Further, by using the material, for example, carburized steel of the shank member, such as a (SCM415, etc.), if having a hardened layer provide Reinforced curing treatment by carburizing, etc. on the inner peripheral surface (surface only) that, for example, HRC55 If it is about 0 °, the inside of each member (other than the inner and outer surfaces) is close to raw material and has toughness, and mechanical strength comparable to solid (solid) can be obtained. In particular, since the intermediate member has a large hollow portion due to weight reduction as compared with the chuck member or the like, it is preferable to have toughness.
The same material may be used for the shank member, the intermediate member, and the chuck member, but by using different materials for each member, or by forming the joint portion between the shank member and the intermediate member on the inner peripheral surface and the outer peripheral surface, The anti-vibration effect can be enhanced.

この発明は、以上のように構成したので、工具最大モーメント、慣性モーメント及び慣性力を極力抑制してその軽量化を図った工具ホルダとすることができる。   Since the present invention is configured as described above, the tool holder can be reduced in weight by suppressing the tool maximum moment, inertia moment and inertia force as much as possible.

この発明の優れている点を説明するものであって、(a)は中空工具ホルダの一部切断正面図、(b)は中実工具ホルダの一部切断正面図BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The point which is excellent in this invention is demonstrated, Comprising: (a) is a partial cutting front view of a hollow tool holder, (b) is a partial cutting front view of a solid tool holder この発明の一実施形態の一部切断正面図Partially cut front view of one embodiment of the present invention 同他の実施形態の一部切断正面図Partially cut front view of the other embodiment 同一実施形態と比較例の作用説明図であり、(a)は実施形態例、(b)〜(d)は各比較例It is operation | movement explanatory drawing of the same embodiment and a comparative example, (a) is an embodiment example, (b)-(d) is each comparative example. 同他の実施形態と比較例の作用説明図であり、(a)は実施形態例、(b)〜(d)は各比較例It is operation | movement explanatory drawing of the other embodiment and a comparative example, (a) is an embodiment example, (b)-(d) is each comparative example. 同実施形態の各中間部材に対する各種のチャック部材の対応図Corresponding diagram of various chuck members with respect to each intermediate member of the same embodiment

この発明の実施形態を図2a、図2bに示し、この実施形態の工具ホルダは工作機械の300Nm以上の高トルクが加わる主軸に装着されるものであり、その主軸に着脱可能に嵌合されるHKS−A125のシャンクを有するシャンク部材10と、そのシャンク部材10に連続する円錐筒台状中間部材20と、その中間部材20に連続する円錐筒台状チャック部材30とからなって、クロムモリブデン鋼などの特殊鋼及び特殊ステンレス鋼からなる。
図2aの実施形態は、そのホルダ長L:285mm、シャンク部材10と中間部材20との接合面の径c:94mm、中間部材長a:165mm、チャック部材長b:70mm、チャック部材先端外径d:15mm、取付孔径(工具径)e:12mmとし、図2bの実施形態は、そのホルダ長L:285mm、シャンク部材10と中間部材20との接合面の径c:98mm、中間部材長a:165mm、チャック部材長b:70mm、チャック部材先端外径d:26mm、取付孔径e:20mm(L、c、a、b,d、eは図2a参照)とした。
An embodiment of the present invention is shown in FIGS. 2a and 2b, and the tool holder of this embodiment is attached to a main spindle to which a high torque of 300 Nm or more of a machine tool is applied, and is detachably fitted to the main spindle. A chrome molybdenum steel comprising a shank member 10 having a shank of HKS-A125, a truncated cone-shaped intermediate member 20 continuous to the shank member 10, and a truncated cone-shaped chuck member 30 continuing to the intermediate member 20. Made of special steel and special stainless steel.
In the embodiment of FIG. 2a, the holder length L is 285 mm, the diameter c of the joint surface between the shank member 10 and the intermediate member 20 is 94 mm, the intermediate member length a is 165 mm, the chuck member length b is 70 mm, and the chuck member tip outer diameter. d: 15 mm, mounting hole diameter (tool diameter) e: 12 mm, in the embodiment of FIG. 2 b, the holder length L: 285 mm, the diameter c of the joining surface between the shank member 10 and the intermediate member 20 c: 98 mm, the intermediate member length a 165 mm, chuck member length b: 70 mm, chuck member tip outer diameter d: 26 mm, mounting hole diameter e: 20 mm (see FIG. 2a for L, c, a, b, d, and e).

シャンク部材10は中間部材20との接合側にマニピュレータ部11を有し、このマニピュレータ部11の曲面11a段部端面(マニピュレータ部11のシャンク側端面から50mmの位置、中間部材長aの基点)から中間部材20及びチャック部材30の外周面20’、30’は、ホルダ中心軸oからの距離:y、その段部端面からチャック部材30先端方向への距離:xとすると、y=ax+bx+c(a、b、cは係数)による2次曲線の円弧状面とした。図中、12はクーラントダクトである。 The shank member 10 has a manipulator part 11 on the joint side with the intermediate member 20, and from the curved surface 11a step end face of the manipulator part 11 (position 50mm from the shank side end face of the manipulator part 11, the base point of the intermediate member length a). The outer peripheral surfaces 20 ′ and 30 ′ of the intermediate member 20 and the chuck member 30 are y = ax 2 + bx + c, where y is a distance from the holder central axis o, and x is a distance from the stepped end surface to the tip of the chuck member 30. An arcuate surface of a quadratic curve according to (a, b, and c are coefficients) was used. In the figure, 12 is a coolant duct.

中間部材20は、一方の端部にマニピュレータ部11の端部内面に嵌る鍔部21、他方の端にチャック部材30の鍔部31が嵌る受け口22をそれぞれ有している。また、その内周面24は、2段階の傾斜面24a、24bとなって外周面20’に沿った形状となっているとともに、その肉厚tはシャンク部材10側からチャック部材30側に向かって徐々に薄肉となって十分な剛性が担保されるようになっている。この内周面24の傾斜面24a、24bの段数は任意であり、また、連続した円弧状、例えば、外周面20’と平行な円弧状でも良い。
チャック部材30は、その先端から軸心上に切削工具Aの取付孔32が形成され、その取付孔32に続いて段差をもって同一径の空洞33が形成されている。この空洞33は、中間部材20に向かって徐々に拡径する円錐台状とし得る。取付孔32には切削工具Aが焼き嵌めによって装着される。
なお、中間部材20及びチャック部材30は中心軸oを中心とした点対称の横断面(図2a、図2bにおいて水平断面)として、回転ムラが生じないようにする。
The intermediate member 20 has a flange 21 that fits on the inner surface of the end of the manipulator 11 at one end, and a receiving port 22 that fits the flange 31 of the chuck member 30 on the other end. In addition, the inner peripheral surface 24 has two steps of inclined surfaces 24a and 24b and has a shape along the outer peripheral surface 20 ', and its thickness t is from the shank member 10 side toward the chuck member 30 side. As a result, the thickness is gradually reduced to ensure sufficient rigidity. The number of steps of the inclined surfaces 24a and 24b of the inner peripheral surface 24 is arbitrary, and may be a continuous arc shape, for example, an arc shape parallel to the outer peripheral surface 20 ′.
The chuck member 30 has an attachment hole 32 for the cutting tool A formed on the axis from the tip thereof, and a cavity 33 having the same diameter is formed following the attachment hole 32 with a step. The cavity 33 may have a truncated cone shape that gradually increases in diameter toward the intermediate member 20. The cutting tool A is mounted in the mounting hole 32 by shrink fitting.
The intermediate member 20 and the chuck member 30 have a point-symmetric cross section (horizontal cross section in FIGS. 2a and 2b) centered on the central axis o so that rotation unevenness does not occur.

シャンク部材10と中間部材20との接合端面、及び中間部材20とチャック部材30との接合端面はそれぞれ同一大きさとされており、接合すると、外周面20’、30’が連続した(接合部に段差がない)円弧状面となる。そのシャンク部材10と中間部材20とは、両者10、20を洗浄して脱脂した後、中間部材(特殊鋼)20をシャンク部材10の接合面に圧入し、その接合部全周を電子ビーム溶接によって溶接接合する。一方、中間部材20とチャック部材30とは、同様に、両者20、30を洗浄して脱脂した後、特殊ステンレス製ネックを中間部材の接合面に圧入し、その接合部全周を電子ビーム溶接によって溶接接合する。これらの溶接接合により、シャンク部材10と中間部材20及び中間部材20とチャック部材30はそれぞれ溶接部を介して接合される。 The joining end surface of the shank member 10 and the intermediate member 20 and the joining end surface of the intermediate member 20 and the chuck member 30 are the same size, and when joined, the outer peripheral surfaces 20 ′ and 30 ′ are continuous (in the joining portion). It has an arcuate surface with no step. The shank member 10 and the intermediate member 20 are washed and degreased, and then the intermediate member (special steel) 20 is press-fitted into the joint surface of the shank member 10, and the entire circumference of the joint is electron beam welded. By welding. On the other hand, the intermediate member 20 and the chuck member 30 are similarly cleaned and degreased, and then a special stainless steel neck is press-fitted into the joint surface of the intermediate member, and the entire circumference of the joint is electron beam welded. By welding. By these welding joints, the shank member 10 and the intermediate member 20, and the intermediate member 20 and the chuck member 30 are joined through the welded portions.

つぎに、図3に示すように、図2aの実施形態の工具ホルダH(同図(a))、この工具ホルダHの外形において、シャンク及びチャックを一バー材から製作した中実の工具ホルダH(同図(b))、工具ホルダHと同一重さであって、HSK−A125のシャンクで円錐台状中実チャックの工具ホルダH(同図(c))、及び従来のBT50型の工具ホルダH(同図(d))をそれぞれ製作した。また、図4に示すように、図2bの実施形態の工具ホルダH(同図(a))、この工具ホルダHの外形において、シャンク及びチャックを一バー材から製作した中実の工具ホルダH(同図(b))、工具ホルダHと同一重さであって、HSK−A125のシャンクで円錐台状中実チャックの工具ホルダH(同図(c))及び従来のBT50型の工具ホルダH(同図(d))もそれぞれ製作した。それらの各工具ホルダH、H、H、Hのホルダ長Lは、165mm、225mm及び285mmの3種類とした。 Next, as shown in FIG. 3, the tool holder H 1 (FIG. 2A) of the embodiment of FIG. 2a and the solid shape in which the shank and the chuck are manufactured from one bar material in the outer shape of the tool holder H 1 . Tool holder H 2 (same figure (b)), same weight as tool holder H 1 , tool holder H 3 of the truncated cone-shaped solid chuck with the shank of HSK-A125 (same figure (c)), and Conventional BT50 type tool holders H 4 (FIG. 4D) were produced. Moreover, as shown in FIG. 4, the tool holder H 1 (FIG. 2A) of the embodiment of FIG. 2b, and a solid tool in which the shank and chuck are manufactured from one bar material in the outer shape of the tool holder H 1 The holder H 2 (FIG. (B)), the same weight as the tool holder H 1, and the tool holder H 3 (FIG. (C)) of the frustoconical solid chuck with the shank of HSK-A125 and the conventional A BT50 type tool holder H 4 (FIG. 4D) was also produced. The holder length L of each of the tool holders H 1 , H 2 , H 3 , and H 4 was set to three types of 165 mm, 225 mm, and 285 mm.

その各工具ホルダH〜Hに切削工具Aを焼き嵌めしてその切削工具Aの先端に100kgの水平荷重Nをかけた場合、その切削工具先端の水平方向の撓み(各図において、実線から鎖線への移動長さ)を測定した。このとき、切削工具Aの工具ホルダ(チャック部30の先端)からの突出量は、切削工具径(=e)の3倍とした。各工具ホルダH〜Hにおいて、下記表3に質量(kg)比較を示し、同表4、表5に撓み量(mm)の比較を示す。 When the cutting tool A is shrink-fitted into the tool holders H 1 to H 4 and a horizontal load N of 100 kg is applied to the tip of the cutting tool A, the bending of the cutting tool tip in the horizontal direction (the solid line in each figure) (Movement length from chain to chain line). At this time, the protruding amount of the cutting tool A from the tool holder (the tip of the chuck portion 30) was set to three times the cutting tool diameter (= e). In each tool holder H 1 to H 4, represent a mass (kg) Comparative Table 3, the table 4 shows a comparison of the amount of bending in Table 5 (mm).

Figure 0005921841
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Figure 0005921841
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この試験結果から、この発明に係る工具ホルダHと中実の工具ホルダHとの比較(H/H)において、工具ホルダHは、表3から、質量は約20%程度の軽量化が可能であり、また、表4の比較(H/H)から、軽量化による剛性低下は10%以下に抑えられている。
また、ワンランク小さい従来の規格工具ホルダHとの比較においては、表3の「H1/H4」から、両者(H、H)の質量はほぼ同等であるが、表4の比較(H/H)からたわみ量は、前者(H)が1.5倍近くと大きくなっている。
さらに、同じ質量となる形状で比較した場合、中実の工具ホルダHが工具ホルダHに対して、表5の比較(H/H)から、たわみ量が1.13〜1.65倍と大きくなっている。
以上から、この発明の構成のように中間部材20を中空テーパ形状とすることで、曲げ剛性の低下を防ぎつつ、大きく軽量化し得る利点が生まれることが理解できる。
From this test result, in comparison (H 1 / H 2 ) between the tool holder H 1 according to the present invention and the solid tool holder H 2 , the tool holder H 1 has a mass of about 20% from Table 3. The weight can be reduced, and from the comparison of Table 4 (H 1 / H 2 ), the decrease in rigidity due to the weight reduction is suppressed to 10% or less.
Further, in comparison with the notch small conventional standard tool holder H 4, from the "H 1 / H 4" in Table 3, although the mass of both (H 1, H 4) is almost equivalent, a comparison of Table 4 The amount of deflection from (H 4 / H 1 ) is as large as 1.5 times in the former (H 4 ).
Furthermore, when comparing with shapes having the same mass, the solid tool holder H 3 is compared with the tool holder H 1 from the comparison (H 3 / H 1 ) in Table 5, and the deflection amount is 1.13 to 1.3. It is 65 times larger.
From the above, it can be understood that the intermediate member 20 having a hollow tapered shape as in the configuration of the present invention has an advantage that it can be greatly reduced in weight while preventing a decrease in bending rigidity.

なお、表3〜5から、ホルダ長Lが長いほど、曲げ剛性の低下を防ぎつつ、軽量効果を図り得る点が顕著となることが理解できる。このため、大型加工ワークでは、一般的に、ホルダ長Lは長くなることが多く、HSKシャンク等の高トルク主軸に装着されるシャンク付工具ホルダは、その大型加工ワークの加工に使用されることから、勢い、ホルダ長Lが長くなるため、その軽量効果を有効に得られることとなる。
また、他の実験から、中間部材20のチャック部材30との接合面の径f(図2a参照)は中間部材20とシャンク部材10との接合面の径cの0.8以下(f<0.8c)とし、その厚み(肉厚)tは5〜30mmとするのが好ましい。
In addition, it can be understood from Tables 3 to 5 that the longer the holder length L, the more prominent the light weight effect can be while preventing a decrease in bending rigidity. For this reason, the holder length L is generally long for large workpieces, and the tool holder with a shank attached to a high torque main shaft such as an HSK shank is used for machining the large workpiece. Therefore, the momentum and the holder length L become longer, and the light weight effect can be effectively obtained.
Further, from other experiments, the diameter f (see FIG. 2a) of the joint surface between the intermediate member 20 and the chuck member 30 is 0.8 or less (f <0) of the diameter c of the joint surface between the intermediate member 20 and the shank member 10. 0.8c), and the thickness (wall thickness) t is preferably 5 to 30 mm.

この実施形態の工具ホルダは、シャンク部材10、中間部材20及びチャック部材30とからなるため、その中間部材20のシャンク部材接合側構造、チャック部材接合側構造、及び中間部材20の軸方向の長さをそれぞれ規格化することで、様々な組合せが可能となる。また、チャック部材30の形態も、切削工具Aとの接合径(構造)を規格化することで、様々な種類の切削工具に適したチャック部材を接合することができる。
例えば、図5に示すように、各種大きさ・形状の中間部材20(20a、20b、20c)に対し、各種態様のチャック部材30a、30b、30c、30d、30eを準備することによって、各種態様の工具ホルダを得ることができる。同図においては,中間部材20aに対して、同図の焼き嵌め式チャック部材30a、コレットチャック部材30bを連結(接合)し、同中間部材20bに対して、同コレットチャック部材30c、カッタ型チャック部材30dを連結し、同中間部材20cに対して、同サイドロック式チャック部材30eを連結する。このとき、チャック部材30の形状により,中間部材(延長部材)20は軸方向及び径方向に複数のサイズを適宜に選択可能である。中間部材20は、1つ又は2つ以上を組合せて、軸方向も自在に変更が可能である。
このように、工具ホルダのチャックを、中間部材20とチャック部材30からなるものとし、その中間部材20とチャック部材30を相互に接合可能とすると共に、各種の形状とすることによってして、多様化する工具ホルダの生産性を高めるとともに、納入時期の短縮化を図ることができる。
Since the tool holder of this embodiment includes the shank member 10, the intermediate member 20, and the chuck member 30, the shank member joint side structure, the chuck member joint side structure of the intermediate member 20, and the length of the intermediate member 20 in the axial direction. Various combinations are possible by standardizing the lengths. In addition, the chuck member 30 can be bonded to chuck members suitable for various types of cutting tools by standardizing the bonding diameter (structure) with the cutting tool A.
For example, as shown in FIG. 5, by preparing various types of chuck members 30a, 30b, 30c, 30d, and 30e for intermediate members 20 (20a, 20b, and 20c) of various sizes and shapes, The tool holder can be obtained. In the figure, the shrink-fitting chuck member 30a and the collet chuck member 30b in the figure are connected (joined) to the intermediate member 20a, and the collet chuck member 30c and the cutter chuck are connected to the intermediate member 20b. The member 30d is connected, and the side lock chuck member 30e is connected to the intermediate member 20c. At this time, the intermediate member (extension member) 20 can appropriately select a plurality of sizes in the axial direction and the radial direction depending on the shape of the chuck member 30. One or two or more intermediate members 20 can be combined and the axial direction can be freely changed.
As described above, the chuck of the tool holder is composed of the intermediate member 20 and the chuck member 30, and the intermediate member 20 and the chuck member 30 can be joined to each other and various shapes can be used. The productivity of tool holders to be improved can be increased and the delivery time can be shortened.

因みに、図5等に示す形態のシステムは、一般的にモジュラー工具といわれ、ボーリング加工用工具ホルダに多く見られる。しかし、この種の従来のモジュラー工具は取付け・取外しが自在に行えるところに特徴があり、接続機構としてネジによる結合方法を主に、又はそれに準じる方法が使用されている。例えば、特許文献4に記載の各部材の接合はネジ止めにより中間部(延長部)を連結したものであり、これは軸方向への延長が主目的である。このため、それぞれのパーツ(部材)はソリッド(中実)であり、軽量化には貢献していない。また、通常、エンドミル工具による重切削加工において、図5に示す溶接接合でモジュラー式に連結された工具ホルダは用いられていない。   Incidentally, the system of the form shown in FIG. 5 or the like is generally called a modular tool, and is often found in a tool holder for boring. However, this type of conventional modular tool is characterized in that it can be freely attached and detached, and as a connection mechanism, a connection method using screws is mainly used, or a method according thereto is used. For example, the joining of each member described in Patent Document 4 is an intermediate part (extension part) connected by screwing, and this is mainly intended to extend in the axial direction. For this reason, each part (member) is solid (solid) and does not contribute to weight reduction. Also, normally, in heavy cutting with an end mill tool, a tool holder connected in a modular manner by welding joining shown in FIG. 5 is not used.

上記実施形態では、HSK−A125のシャンクであったが、高トルクが加わる主軸に装着される他の各種のHSK、例えばHKS−A100等のシャンクの工具ホルダ、及びそのHSKシャンクの工具ホルダに限らず、上記BT50型の工具ホルダH等の高トルクの主軸に装着される工具ホルダは勿論、それ以下のトルクの主軸に装着される工具ホルダにおいても、この発明は採用し得る。
また、シャンク等は3部材10、20、30から構成することなく、図1(a)に示すように、シャンク及びチャックを一バー材から製作した構成であったり、中間部材20とチャック部材30を一バー材から製作し、それをシャンク部材10に溶接した構成であったりした工具ホルダであっても、この発明は採用し得ることは勿論である。
このように、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
In the above embodiment, the shank is an HSK-A125 shank. However, the tool holder is not limited to other various kinds of HSK attached to the main shaft to which high torque is applied, for example, HKS-A100, and the tool holder of the HSK shank. not, the tool holder of course to be attached to the spindle of a high torque, such as the tool holder H 4 above BT50 type, even in a tool holder that is attached to the spindle of less torque, the present invention may be employed.
Further, the shank or the like is not composed of the three members 10, 20, and 30, and the shank and the chuck are manufactured from one bar material as shown in FIG. Of course, the present invention can be applied to a tool holder that is manufactured from one bar material and welded to the shank member 10.
Thus, it should be thought that embodiment disclosed this time is an illustration and restrictive at no points. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

10 シャンク部材
11 マニピュレータ部
20 中間部材(延長部)
30 チャック部材
A 切削工具
、H、H、H 工具ホルダ
10 Shank member 11 Manipulator part 20 Intermediate member (extension part)
30 chuck member A cutting tool H 1, H 2, H 3 , H 4 toolholder

Claims (4)

シャンクに外周面が先端に向かって徐々に縮径するチャックを同一軸に設けた、工作機械の主軸に前記シャンクでもって装着される工具ホルダであって、
マニピュレータ部(11)を有する上記シャンクを構成するシャンク部と、上記チャックの切削工具保持用チャック部分を構成するチャック部と、そのシャンク部とチャック部との間を構成する上記チャックの残部をなす中空の中間部とからなり、工具最大モーメント、慣性モーメント及び慣性力を低減するために、前記中間部の外周面及びチャック部の外周面は、上記チャックの先端に向かって徐々に縮径するテーパ状とするとともに、前記中間部の中空内周面はその外周面に沿う形状とされており、
上記中間部の外周面と内周面との肉厚(t)をチャック部側からシャンク部側に向かって徐々に厚くしたことを特徴とする工具ホルダ。
A tool holder mounted on the main shaft of a machine tool with the shank provided with a chuck whose outer peripheral surface is gradually reduced in diameter toward the tip of the shank,
A shank portion constituting the shank having a manipulator portion (11), a chuck portion constituting a chuck portion for holding a cutting tool of the chuck, and a remaining portion of the chuck constituting between the shank portion and the chuck portion. A taper that consists of a hollow intermediate portion, and the outer peripheral surface of the intermediate portion and the outer peripheral surface of the chuck portion are gradually reduced in diameter toward the tip of the chuck in order to reduce the maximum tool moment, inertia moment, and inertia force. And the hollow inner peripheral surface of the intermediate portion is shaped along the outer peripheral surface,
A tool holder characterized in that the thickness (t) between the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the intermediate portion is gradually increased from the chuck portion side toward the shank portion side.
上記シャンク部、中間部及びチャック部を、それぞれ別部材であるシャンク部材(10)、中間部材(20)及びチャック部材(30)から構成し、そのシャンク部材(10)中間部材(20)及び中間部材(20)とチャック部材(30)はそれぞれ溶接部を介して接合されていることを特徴とする請求項1に記載の工具ホルダ。 The shank part, the intermediate part, and the chuck part are composed of a shank member (10), an intermediate member (20), and a chuck member (30), which are separate members, respectively, and the shank member (10) , the intermediate member (20), and The tool holder according to claim 1, wherein the intermediate member (20) and the chuck member (30) are joined to each other through a welded portion . 上記シャンクがHSKシャンクであり、上記切削工具(A)が装着される際、その切削工具(A)が焼き嵌め式で上記チャック部に装着されるものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の工具ホルダ。 The shank is an HSK shank, and when the cutting tool (A) is mounted, the cutting tool (A) is mounted on the chuck portion by shrink fitting. The tool holder according to 2. 上記中間部の内外周面に硬化処理層を有することを特徴とする請求項1乃至3の何れか一つに記載の工具ホルダ。 The tool holder according to any one of claims 1 to 3, further comprising a cured layer on the inner and outer peripheral surfaces of the intermediate portion.
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